磷化镍基复合纳米材料的制备及其电催化分解水性能研究

摘要

全球能源危机及其相关环境问题引起了对清洁,廉价和可再生能源的迫切需求.氢能源是被誉为21世纪的清洁能源并由于其高能量密度和零炭排放被视为一种可以替代传统化石燃料的理想能源,所以氢能源受到了越来越多人的关注.在目前众多的制取氢气的技术中电催化分解水可以实现大规模的生产并且原料来自丰富的水源,这种方法被视为实现制氢的最为便捷的途径之一.目前,Pt基和IrO2,RuO2基贵金属材料已分别被证实是最有效的析氢催化反应(HER)和析氧反应(OER)的电催化剂电极材料.但是,它们在地球上含量不足和高成本大大限制了它们的广泛应用.因此,开发具有廉价的成本,高效率和优异稳定性的替代贵金属的电催化剂用于电催化分解水的任务非常紧迫.理想的电极材料应该具备良好的导电性、高的电催化活性、大的比表面积、优良的抗腐蚀能力.过渡金属磷化物其磷原子进入金属晶格之中而形成的间隙化合物而拥有了理想电催化剂的的许多优良的性质,符合制备高效电解水电极的要求.本论文主要通过水热和低温磷化的方法在具有三维孔架的泡沫镍上生长出单金属以及多金属异质结构的过渡金属磷化物纳米材料催化剂并且对其电催化分解水性能进行了研究: (1)以三维孔架的泡沫镍为基底,通过水热法原位生长出高密度的氢氧化镍前驱体纳米薄片,随后通过低温磷化的方法,在泡沫镍上制备了多孔的Ni2P纳米薄片.这种简单低成本的制备方法使得多孔Ni2P电极材料具有较大的比表面积以及优越的膜基结合能力.通过电化学行为测试研究发现,在碱性条件下的阴极电流密度为10mA cm-2时仅仅需要139mV的过电势,其析氢过电位优于大部分其他同种材料,并且在模拟工业产氢的高电流密度下也展示出了极好的稳定性. (2)在上述工作基础上利用同种方法,在泡沫镍上生长出多孔的Ni2P纳米片,随后通过调控电沉积工艺的参数,在Ni2P纳米片上沉积一层NiFe LDH纳米薄片形成NiFe LDH和Ni2P的复合结构,使得纳米材料的比表面积和活性位点进一步增加.电化学测试后发现,这种复合结构的析氧电位得到了明显的提升. (3)为了探究多元过渡金属磷化物对电催化性能的影响,以三维孔架的泡沫镍为基底,通过水热法和低温磷化法成功的制备了Cu3P与Ni2P的双金属异质结构磷化物六边形纳米片.通过电化学测试发现,双金属磷化物特殊的纳米形貌和电子结构对电催化性能有着明显的提升作用,其析氢性能为10mA cm-2的电流密度下仅仅108mV的过电势,远远低于单元的Ni2P(150mV)与Cu3P(200mV),说明磷化铜与磷化镍之间发挥了电耦合作用和协同增强效应,从而加强了电催化性能.

目录

1 绪论

1.1 引言

1.2 氢能概述

1.2.1 氢能源的特点

1.2.2 制氢方法

1.3 电解水制氢概述

1.3.1 电解水发展历史

1.3.2电解水反应原理

1.3.3电催化剂评价体系

2 实验部分

2.1实验材料、化学试剂

2.2实验设备

2.2.1单温区管式炉

2.2.2 电子天平(ML201/02)

2.2.7磁力搅拌器（DF-101S）

2.2.8 302N双通道型电化学工作站

2.3 样品测试表征方法

2.3.1形貌和成分表征

2.3.2 样品催化性能测试

3 多孔Ni2P纳米片电极的制备以及电催化析氢性能

3.1引言

3.2 实验部分

3.3实验结果

3.3.1 微观形貌分析

3.3.2 多孔Ni2P纳米片的电催化性能表征

3.4本章小结

4 Ni2P负载NiFe LDH的制备及电催化析氧性能研究

4.1引言

4.2 实验材料及方法

4.2.1 实验材料

4.2.2 实验方法

4.3 结果与分析

4.3.1 NiFe LDH@Ni2P/NF复合材料电极的结构和组成的表征

4.3.2 NiFe LDH@Ni2P/NF复合材料电极的电催化析氧性能

4.4本章小结

5 Cu3P-Ni2P异质结构电极的制备以及电催化析氢性能研究

5.1引言

5.2实验材料和制备方法

5.2.1实验材料

5.2.2制备方法

5.3 结果与分析

5.3.1 Cu3P-Ni2P复合材料的成分和结构的表征

5.3.2 Cu3P-Ni2P复合材料的电化学性能

5.4本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

附录：作者攻读硕士学位期间发表论文及科研情况

致谢

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